Processus thermo-mécaniques liés à l'eau et à la glace dans les fractures des parois alpines à permafrost – WISPER

Les méthodes englobent des modélisations numériques couplant les processus thermiques et hydrologiques en premier lieu. De nouvelles procédures de modélisation doivent être développées pour pouvoir appliquer ces modèles aux parois de haute montagne. Ces nouveaux modèles doivent ensuite servir à paramétrer des modèles mécaniques. Par ailleurs, des modèles de bilan d'énergie doivent être développés pour quantifier l'eau pouvant s'infiltrer dans les parois. Enfin, en parallèle des modèles numériques, la géophysique, et notamment la géoélectrique est utilisée pour acquérir des données indépendantes pour évaluer les modèles.

Du fait des limites dans les programmes de modélisation numérique couplant les transferts de chaleur et d'eau, une instrumentation unique au monde a été mise au point pour suivre et caractériser les écoulements d'eau dans les fractures et assurer le développement de la connaissance sur ce sujet.

De premiers modèles couplés des processus thermiques et hydrologiques ont été réalisés et publiés dans Journal of Geophysical Research : Earth Surface. Les résultats montrent la capacité à coupler ces processus à partir de modèles numériques, la perturbation thermique et mécanique des flux d'eau dans les terrains à permafrost.

Leur systématisation s'est néanmoins heurtée à un bug numérique qui n'a été résolu qu'en fin de contrat du postdoctorant travaillant sur cette question.

Un système de monitoring géoelectrique a été installé à l'Aiguille du Midi et a mesuré un pas de temps variable selon les saisons et divers aléas (chutes de pierres, gel, endommagement du matériel, foudre). L'analyse des données acquises entre 2019 et 2023 montre la capacité de cette méthode à rendre compte de l'évolution du permafrost du pas de temps infra-saisonnier à pluriannuel en cohérence avec l'évolution climatique. La méthode a aussi permis de montrer l'effet de circulation d'eau dans des secteurs très fracturés. L'étude est en cours de publication dans le journal The Cryosphere.

Un modèle de bilan d'énergie et bilan hydrologique a été adapté aux parois rocheuses alpines et a démontré la variabilité du bilan hydrologique en fonction de l'altitude et de l'exposition aux rayonnement solaires. Les travaux ont été publiés dans le journal "Earth Surface Dynamics" et le modèle a été appliqué à un cas d'étude d'avalanche rocheuse montrant le rôle des infiltrations d'eau dans le déclenchement de cette avalanche rocheuse (étude publiée dans Earth Surface Landforms and Processes). Une version simplifiée du modèle a aussi été appliquée à 209 écroulements rocheux pour voir la distribution statistique de la température des parois avant les écroulements, révélant le rôle des températures exceptionnellement élevées et le rôle de la dégradation du permafrost pour les évènements dont la profondeur de détachement est > 4-6 m. Cette étude a été publiée dans le journal Permafrost and Periglacial Processes.

Des mesures directes des écoulements d'eau dans les parois alpines ont été mises en place et apportent des données uniques au monde, révélant le lien entre les signaux météorologiques et le déclenchement des écoulements, la présence d'eau de fonte de la glace de permafrost dans l'eau récoltée, le rôle du développement de la couche active et la connectivité des fractures. Un article est en préparation pour présenter ces résultats.

Ce projet a débouché sur plusieurs projets qui font offices de perspectives :

- le financement de 2 actions dans le plan d'action pour les risques d'origine glaciaire et périglaciaire (PAPROG) qui vont directement réutiliser les modèles développés ou testés dans WISPER. Grâce au modèle de bilan d'énergie, il s'agit désormais de proposer de nouvelles cartes de permafrost alpin dans les Alpes françaises, et si les difficultés rencontrées dans l'application des modèles de transferts de chaleur et d'eau ont seulement permis de lever et résoudre des bugs dans le cadre du projet WIPSER, il est désormais envisagé de réaliser la systématisation prévue de leur utilisation dans le cadre du PAPROG.

- une thèse CIFRE (en cours d'instruction) pour mettre au point des méthodes de diagnostic du permafrost pour des fins opérationnelles à partir des modèles développés ou testés dans WISPER

- un projet ANR dans le cadre du PEPR IRiMA en cours de rédaction (lettre d'intention) qui créera une base de données uniques sur le permafrost et les écroulements rocheux à partir des modèles développés ou testés dans WISPER afin de développer des analyses mathématiques avancées pour l'aide à la décision.

- la mise au point des modèles de bilan d'énergie et hydrologique offre aussi des perspectives d'études de la morphogenèse alpine et notamment celle du développement des éboulis et la formation des glaciers rocheux à partir de l'analyse des cycles de gel dégel et de la disponibilité en eau.

4 communications dans des congès d'envergure internationale, 2 publications dans des revues scientifiques internationales à comité de lecture (une en cours de publication, acceptation en septembre 2021)

WISPER vise à coupler les processus thermiques, hydriques et mécaniques associés à l’eau et au gel dans les fractures des parois gelées en permanence (permafrost) pour comprendre (i) les processus de dégradation du permafrost et (ii) l’augmentation des écroulements rocheux touchant les milieux de haute montagne. La dégradation du permafrost est attribuée à (i) la lente conduction de la chaleur depuis la surface dans la masse rocheuse saturée et (ii) les infiltrations et les circulations d’eau dans les fractures agissant comme un raccourci thermique entre la surface et la subsurface. Les ruptures de parois rocheuses sont quant à elles attribuées à la (i) rupture ductile-fragile des fractures remplies de glace se réchauffant et aux (ii) contraintes induites par les processus hydriques. Bien que les dynamiques thermiques et mécaniques des parois gelées saturées et homogènes (sans fractures) aient été étudiées depuis une décennie, les processus liés à l’eau constituent la principale barrière à l’interprétation et la prédiction quantitatives de la dégradation du permafrost et des mécanismes de rupture. Le manque d’étude de ces processus s’explique par (i) leur complexité qui implique des réponses thermiques et mécaniques non-linéaires et (ii) la quasi-absence de données pour paramétrer et évaluer les modèles numériques.
WISPER s’attaque à ces limites au travers de trois Work Packages (WP) qui comprennent le développement de procédures de modélisation numérique et de sondages géophysiques innovants. Il rassemble les compétences, outils et données de quatre instituts répartis entre la France (Labo. EDYTEM et ISTerre, CNRS et Université Savoie Mont Blanc), l’Allemagne (Univ. Technique de Munich) et la Novège (Univ. Oslo). Dans le 1er WP (WP1), le jeu de données unique déjà collecté dans le massif du Mont Blanc (notamment des modèles numériques de terrain de haute résolution, > 10 ans d’inventaire des écoulements rocheux, des séries temporelles de la température des parois, des variables climatiques et de la cinématique des fractures) seront utilisées pour développer des modèles hydro-thermiques et fournir les données nécessaires pour paramétrer des modèles mécaniques dans le 3ème WP (WP3). En parallèle, des mesures et du monitoring géophysique à la pointe sera réalisé sur des sites-pilotes pour imager le contenu et la saturation des fractures (WP2) et obtenir un jeu de données indépendant pour paramétrer et évaluer les modèles prévus dans le WP1 et WP3. La combinaison des trois WPs offrira une meilleure compréhension théorique des dynamiques thermiques et du comportement mécanique des parois à permafrost.
Environ 260k€ sont demandés pour couvrir les frais de personnel non-permanents (Postdocs et stagiaires), l’équipement numérique et géophysique, les frais de déplacements pour la communication des résultats et les travaux de terrain, et les frais de publication. Ce projet est basé sur des collaborations déjà établies, est en lien direct avec le parcours de la coordinatrice et permettra de renforcer sa position de meneuse dans les recherches sur le permafrost de haute montagne. Sur le court à moyen terme, ce projet délivrera de nouveaux modèles numériques, des analyses de sensibilité, et des images des propriétés physiques des parois alpines utiles à la communauté scientifique s’intéressant aux morphodynamiques des versants raides et des processus cryosphériques. Sur le moyen à long terme, les résultats constitueront une base solide pour définir les directions de recherche vers des solutions opérationnelles d’anticipation et de réduction des risques associés aux processus de désenglacement, qui est d’un intérêt majeur pour les aménageurs du territoire, les décideurs et professionnels de la montagne. Les résultats seront diffusés via des journaux scientifiques internationaux, des conférences d’envergure nationale et internationale, des cours universitaires, des médias grand public et des formations aux professionnels de la montagne.